钢铁行业将面临巨大的低碳转型压力 从生产工艺路线探讨减排途径

钢铁行业能源高度密集的特点使其产生了大量的碳排放，对全球气候变暖造成了不容忽视的影响。据IEA预计，要实现全球气候目标，2050年钢铁行业直接碳排放必须比2019年减少50%以上。2020年9月，中国提出了2030年前碳排放达峰、2060年实现碳中和的宏伟目标。未来几十年，我国钢铁行业将面临巨大的低碳转型压力。

粗钢是钢铁行业最重要的中间产品，粗钢生产是钢铁行业最关键的生产环节。根据原料的不同，全球主要粗钢生产工艺可分为两类：第一类是将铁矿石还原为粗钢的工艺，具体包括高炉-转炉法（BF-BOF）、熔融还原法（SR-BOF）和直接还原法（DRI）；第二类是将废钢重新冶炼为粗钢的工艺，即基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）。

高炉-转炉法（BF-BOF）是在高炉中投入焦炭、洗精煤等化石燃料作为还原剂和燃料，将球团矿或烧结矿熔化、还原为铁水，铁水进入转炉吹炼，除去杂质和多余的碳，产出粗钢；直接还原法（DRI）是利用煤炭或天然气制备的还原剂将固态的铁矿石直接还原为铁，还原出的铁通常会在电弧炉中冶炼为粗钢，这一工艺称为直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）；基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）是以钢铁生产过程中产生的边角料和从社会回收的废钢作为原料在电弧炉中冶炼生产粗钢。

图：粗钢主要生产工艺路线∣来源：世界钢铁协会

在所有粗钢生产工艺中，高炉-转炉法（BF-BOF）、直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）三种工艺生产的粗钢占全球粗钢产量的95%，其中又以高炉-转炉法（BF-BOF）最为常见，其产量约占全球粗钢产量的70%。

不同工艺路线的能源投入结构存在较大区别。高炉-转炉法约89%的能源投入来自煤炭；而电弧炉法（包括直接还原铁-电弧炉法和基于废钢的电弧炉法）仅有11%的能源投入来自煤炭，相比高炉-转炉法具有更加低碳的能源结构。在电弧炉法中，煤炭、天然气主要由直接还原铁-电弧炉法消耗，用于制备还原剂；基于废钢的电弧炉法基本只消耗电力。

数据来源：世界钢铁协会

三种工艺不同的能源投入结构对于其生产粗钢的碳排放强度有着决定性影响。据IEA和世界钢铁协会研究，吨钢碳排放从高到低依次为高炉-转炉法（BF-BOF）、基于天然气的直接还原铁-电弧炉法（Natural gas-based DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF），分别为2.2tCO2/t、1.4tCO2/t和0.3tCO2/t。

我国钢铁行业主要的两类工艺路线为高炉-转炉法（BF-BOF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）。

《巴黎协定》制定的温升目标要求钢铁行业必须通过创新和探索新的生产工艺，开发具有突破性的技术。当前世界各地都在探索开发具有一定应用前景的项目，主要探索方向包括低碳技术、氢还原技术和电解技术三大类。

图 实现钢铁行业脱碳的三类技术∣来源：世界钢铁协会

氢取代碳作为还原剂：利用氢还原铁矿石，最终排放物是水，意味着彻底地零排放；

碳捕获与封存（CCS）技术：生成清洁、浓缩的二氧化碳，并被捕获、存储；

碳捕获与利用（CCU）技术：利用现有工艺生产的共生产品中的气体成分，生产化工行业需要的燃料或原料；

采用生物质能作为还原剂：利用生物质能部分替代煤炭；

采用电解技术：利用电能还原铁矿石。

未来每一项技术都将在钢铁行业二氧化碳减排方面发挥重要作用，成为低碳社会的重要推动力量。然而大范围的技术实施需要大量经济的氢、生物质能和电能，完善的二氧化碳运输网络，意味着全球能源系统将发生根本性转变。